磁化水对金属耐蚀性能的影响

宋 飞，葛红花，范秀方，邓宇强，刘 锋，倪瑞涛

（1.西安热工研究院有限公司，西安710032；2.上海电力学院，上海高校电力腐蚀控制与应用电化学重点实验室，上海热交换系统节能工程技术研究中心，上海200090；3.华能日照电厂检修部，日照276826）

有关磁化水对金属腐蚀性的研究较少，对其作用机理及作用效果也没有统一的说法。有学者认为磁化水可以减缓金属的腐蚀，也有学者则认为磁化水可加速金属在介质中的腐蚀速率。以铁为例，大多认为，当水体经过磁场时，在洛伦兹力的作用下，水体中的带电粒子发生偏转及形变，从而使疏松的Fe2O3·nH2O转化为稳定致密的Fe3O4覆盖在金属体表面［1］，在金属与水之间形成阻隔膜保护层，使金属与水中的氧完全隔离，从而达到抑制金属腐蚀的目的。Sueptitz等［2］通过研究磁场对铁在硫酸溶液中自腐蚀电位的影响、磁场对离子在溶液中传质过程的影响以及磁场对溶液中氢离子浓度的影响，解释了磁场抑制金属铁腐蚀的机理。Chouchane等［3］经研究发现在25℃下、3%的NaCl溶液中，磁场对不同Ni2＋浓度的锌镍合金涂层的腐蚀性均有一定抑制作用，尤其是锌镍合金中Ni2＋浓度较小的情况下，磁场可以显著改善锌镍合金的耐腐蚀性。Zubiate等［4］的试验表明，在温度为80℃，流速为0.77m／s条件下，模拟水经磁化处理后，加大了碳钢的腐蚀速率。Hu等［5］在25℃下研究了不同质量浓度的NaCl溶液中磁场对铜铍合金的腐蚀影响，发现铜铍合金的腐蚀性与NaCl溶液的浓度有关，当NaCl溶液的质量浓度为1%、4%时，磁场对铜铍合金具有加速腐蚀作用，而当NaCl溶液的质量浓度为3%时，磁场可以抑制铜铍合金的腐蚀。

以上结果表明，磁化水可以影响金属的耐蚀性。但多数研究主要集中在中性介质和常温条件下进行，在一定温度和压力条件下的研究较少。磁处理作为一种绿色的水处理技术，已应用于电厂水处理设备如反渗透设备的结垢控制。此外，磁化水对金属表面钝化膜（即氧化层）的形成及其物化特性（平整度、致密度等）具有一定影响，从而改变其在腐蚀环境中的耐蚀性。本工作利用高压釜模拟高温高压环境，研究了20G钢和316L不锈钢在磁化碱性水溶液（pH＝9.0）中的耐蚀性，探讨磁处理技术的应用对锅炉系统金属耐蚀性能的影响。

1 试验

1.1 试验药品及仪器

试验药品：氨水（分析纯），自制高纯水。

试验仪器：PARSTAT 2273电化学工作站（美国AMETEK公司）、KCFD2-10高压反应釜（烟台松岭化工设备有限公司）、磁处理器、DDS-11A型电导率仪（上海雷磁新泾仪器有限公司）、动态循环装置。

1.2 试验方法

分别取1L未经磁化处理和经磁化处理的除盐水，用氨水调节pH至9.0，倒入高压反应釜中，将20G钢和316L不锈钢加工成10mm×10mm的试片，用金相砂纸逐级打磨至6号，酒精棉擦拭后放入高压反应釜的气相试片架中，密封高压反应釜，通入氮气除氧30min后，开始升温至300℃，恒温1h后自然冷却，待反应釜内温度降至80℃以下取出试片，置于干燥器中待用。

取试片在高压釜中向上的一面为工作面，在工作面背面焊上导线，用环氧树脂封装非工作面作为工作电极。以铂电极为辅助电极、饱和甘汞电极为参比电极（SCE），除盐水用氨水调节pH至9.0作为测试溶液，在PARSTAT 2273电化学分析仪上测试金属的极化曲线与电化学阻抗谱。极化曲线测试扫描速率为1mV／s；电化学阻抗测试频率范围为50mHz～100kHz，交流激励信号幅值5mV，并采用ZsimpWin软件对电化学阻抗谱进行拟合。

2 结果与讨论

2.1 磁化处理对20G钢耐蚀性能影响

图1为20G在未经磁化处理和经磁化处理模拟水溶液中的极化曲线，表1为通过极化曲线获得的腐蚀电位Ecorr、腐蚀电流密度Jcorr、0.2V电位下的维钝电流密度Jp和过钝化电位Etp。

图1 20G钢电极在未经磁化处理和经磁化处理的锅炉水中的极化曲线Fig.1 Polarization curves of 20Gsteel in simulated boiler water with and without magnetic treatment

表1 20G钢电极在不同模拟锅炉水中处理后的极化曲线参数Tab.1 Polarization curve parameters of 20Gsteel in simulated boiler water with and without magnetic treatment

由图1可知，在两种模拟锅炉水溶液中，20G钢电极在阳极极化区均出现了钝化，即极化电流密度基本不随电极电位的升高而变化，表明20G钢表面形成了钝化膜，从而抑制了金属基体中Fe2＋的溶出过程。

结合表1可知，在经磁化处理的模拟锅炉水环境中，20G钢电极的腐蚀电位正移，腐蚀电流密度和维钝电流密度均减小，说明磁化处理可促进20G钢的钝化，电极的耐蚀性能提高。

图2为20G钢在未经磁化处理和经磁化处理的模拟锅炉水溶液中的电化学阻抗谱。

对于有保护膜覆盖的金属的腐蚀过程可采用图3所示的等效电路表示［6］。其中，Rs为溶液电阻，R1、Q1分别表示电荷转移电阻和双电层电容，R2、Q2分别表示膜电阻和膜电容。表2为20G钢在未经磁化处理和经磁化处理模拟锅炉水溶液中的电化学阻抗谱参数。

图2 20G钢电极在不同模拟锅炉水中的电化学阻抗谱Fig.2 The EIS of 20Gsteel electrodes in simulated boiler water without and with magnetic treatment

图3 电化学阻抗谱拟合等效电路图Fig.3 The fitting equivalent circuit for EIS

表2 20G钢在未经磁化处理和经磁化处理的测试液中的电化学阻抗谱参数Tab.2 The EIS parameters of 20g steel in test solution with and without magnetized treatment

由表2可见，20G钢电极表面的膜电阻R2远大于电荷转移电阻R1，表明20G钢钝化后其耐腐蚀性能主要源于钝化膜对离子扩散的阻隔作用。电荷转移电阻R1小而双电层电容Y1值较大，说明在钝化膜／测试液界面电荷转移过程较为活跃［7］；两种情况下膜电阻R2均较大而膜电容Y2值均较小，说明模拟锅炉水无论是否经过磁化处理，20G钢电极表面均有保护性能良好的钝化膜生成，但经磁化处理后膜电阻显著增大，说明磁化处理可以促进20G钢电极表面钝化膜的生长，如增加其厚度或提高其致密度。此外经磁化处理后膜电容（用常相角元件表示）参数n2值显著增大且接近于1，说明磁化处理可使20G钢电极表面所形成的钝化膜更加均匀。

2.2 磁化处理对316L不锈钢耐蚀性能影响

图4为316L不锈钢电极在未经磁化处理和经磁化处理的模拟锅炉水溶液中的极化曲线，表3为通过极化曲线获得的腐蚀电位Ecorr及腐蚀电流密度Jcorr。

图4 316L不锈钢电极在未经磁化处理和经磁化处理的模拟锅炉水溶液中的极化曲线Fig.4 Polarization curves of 316Lstainless steel electrode treated in simulated loiler water without and with magnetic treatment

表3 316L不锈钢在不同模拟锅炉水中处理后的腐蚀电位（Ecorr）和腐蚀电流密度（Jcorr）Tab.3 Corrosion potential（Ecorr）and corrosion current density（Jcorr）of 316Lstainless steel treated in simulated boiler water without and with magnetic treatment

由图4可以看出，在未经磁化处理的模拟锅炉水中316L不锈钢出现了轻微的钝化现象，但随着电位的升高，其钝态电流密度缓慢增大，钝化膜性能变差；模拟锅炉水经磁化处理后，没有发生明显的促进316L不锈钢钝化的现象。由表3可知，在两种溶液中不锈钢的腐蚀电流密度均较小，说明其自身的耐蚀性能较好。但在经磁化处理后的试验溶液中不锈钢电极的腐蚀电流密度有所增大，说明磁化处理未能增强316L不锈钢的耐蚀性能。图5为316L不锈钢在不同模拟锅炉水中处理后的Bode图，可获得磁化处理前后不锈钢电极的阻抗模值｜Z｜0.05分别为80.76kΩ·cm2和55.83kΩ·cm2，同样说明磁化处理未能提高316L不锈钢的耐蚀性。

综上所述，在经过除氧的模拟锅炉水环境中，20G钢、316L不锈钢表面均发生钝化，比较两种材料在钝化电位为0.2V下的钝态电流密度，如表4所示。

由表4可以看出，在相同钝化电位下，与在未经磁化处理的试验溶液中相比，20G钢电极在经磁化处理的试验溶液中的钝态电流密度减小到0.41μA·cm-2，即降低了34%，说明溶液经磁化处理对20G钢电极耐蚀性能的提高较显著。316L不锈钢电极的钝态电流密度较小，说明该材料耐蚀性能较好。316L不锈钢电极的在经磁化处理前后试验溶液中的钝态电流密度增大幅度较小。不锈钢表面钝化膜的生成与溶液中的溶解氧含量有很大关系，在经过除氧的模拟锅炉水中，可能是氧气分子的缺乏使不锈钢的钝态受到一定影响，磁处理使其钝态电流密度略有增大，有关其作用机理还有待进一步研究。

图5 316L不锈钢在不同模拟锅炉水中处理后的Bode图Fig.5 Bode plots for 316Lstainless steel treated in simulated boiler water without and with magnetic treatment

表4 20G钢、316L不锈钢在不同模拟锅炉水中处理前后的钝态电流密度（Jp）Tab.4 The passive current density of 20g steel and 316L stainless steel treated in simulated boiler water without and with magnetic treatment μA·m-2

3 结论

（1）极化曲线显示在模拟锅炉水环境中20G钢表面发生钝化，溶液磁化处理可促进20G钢的钝化，电极耐蚀性能提高。电化学阻抗谱及其拟合参数显示，20G钢电极的耐蚀性能主要来自钝化膜对离子扩散的阻隔作用，磁化处理可以促进20G钢电极表面生成耐蚀性能更好的钝化膜。

（2）316L不锈钢的极化曲线和电化学阻抗谱显示，溶液磁化处理使不锈钢电极的腐蚀电流密度增大，阻抗模值减小，即磁化处理未能提高316L不锈钢的耐蚀性能。

（3）比较20G钢、316L不锈钢在相同钝化电位下的钝态电流密度可以看出，316L不锈钢的耐蚀性能较好，在经磁化处理后的溶液中，20G钢电极的耐蚀性能与不锈钢接近。

［1］刘卫国，刘建东，王勤静，等.电磁处理器DAM防腐阻垢试验研究［J］.工业水处理，2004，24（11）：52-55.

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［3］CHOUCHANE S，LEVESQUE A，ZABINSKI P，et al.Electrochemical corrosion behavior in NaCl medium of zinc-nickel alloys electrodeposited under applied magnetic field［J］.Journal of Alloys and Compous，2010，506（2）：575-580.

［4］ZUBIAYE M E B，ALVAREZ A，VILLAFAÑE A M，et al.Influence of magnetic water treatment on the calcium carbonate phase formation and the electrochemical corrosion behavior of carbon steel［J］.Journal of Alloys and Compounds，2004，369（1／2）：256-259.

［5］HU J，DONG C F，LI X G，et al.Effects of applied magnetic field on corrosion of beryllium copper in NaCl solution［J］.Journal of Materials Science and Technology，2010，26（4）：355-361.

［6］葛红花，周国定，吴文权.316不锈钢在模拟冷却水中的钝化模型［J］.中国腐蚀与防护学报，2004，24（2）：65-70.

［7］葛红花，周国定，吴文权.模拟冷却水中不锈钢的自钝化及硫离子的影响［J］.物理化学学报，2003，19（5）：403-407.